Une équipe de chercheurs de l'ETH Zurich a utilisé pour la première fois des simulations sur le supercalculateur CSCS Piz Daint pour étudier comment certains mécanismes de vieillissement des particules de suie dans l'atmosphère affectent la formation des nuages. Les résultats montrent que l'influence de l'ozone et de l'acide sulfurique sur le vieillissement des suies altère la formation des nuages ​​et, finalement, le climat.

Du bois qui brûle, les produits pétroliers ou d'autres matières organiques libèrent dans l'atmosphère des particules de suie constituées principalement de carbone. Cette suie est considérée comme le deuxième agent anthropique de forçage climatique le plus important après le dioxyde de carbone. Dans l'atmosphère ou sous forme de dépôts sur les surfaces de neige et de glace, les particules de suie absorbent le rayonnement solaire à ondes courtes et contribuent ainsi au réchauffement climatique.

Dans l'atmosphère, les particules de suie ont également un effet indirect sur le climat en altérant la formation, développement et propriétés des nuages. Une équipe de recherche dirigée par Ulrike Lohmann, professeur à l'Institut pour l'atmosphère et le climat de l'ETH Zurich, a maintenant pour la première fois étudié comment deux types spécifiques de particules de suie influencent les nuages ​​et, à son tour, le climat :d'une part, les aérosols de suie qui vieillissent à cause de l'ozone et, de l'autre, ceux qui vieillissent à cause de l'acide sulfurique.

La chimie de la suie modifie la formation des nuages

"Jusqu'à maintenant, il a été supposé que ces deux types de vieillissement des suies avaient peu d'effet sur la formation des nuages ​​et le climat, " dit David Neubauer, programmeur scientifique dans le groupe de recherche de Lohmann. Cependant, les résultats des simulations désormais réalisées sur le supercalculateur CSCS Piz Daint brossent un tableau différent.

Lorsque les particules de suie se combinent avec l'ozone ou l'acide sulfurique, leurs propriétés physiques et chimiques changent, écrivent les chercheurs dans leur étude récemment publiée dans la revue Géosciences de la nature . Les particules de suie vieillies par l'ozone forment des noyaux de condensation dans les basses couches de l'atmosphère, qui aident les nuages ​​à se former. Dans les couches supérieures de l'atmosphère, cependant, les particules de suie vieillies par l'acide sulfurique agissent comme des noyaux de glace et aident à la formation des cirrus.

L'équipe a simulé comment les particules de suie vieillissantes influencent la formation des nuages, et par conséquent le climat, des temps préindustriels au futur. Dans ces simulations, le développement des particules d'aérosol est couplé à la physique de la formation des nuages ​​dans un calcul interactif. Ceci est complexe et nécessite plus de temps de calcul que les simulations climatiques classiques.

Les chercheurs ont fait des hypothèses clairement définies pour leurs calculs en décrivant l'état de vieillissement des particules de suie, en fonction de la température et de la concentration en ozone. Ces deux facteurs ont une influence significative sur le vieillissement :pour que la suie vieillisse rapidement à travers l'ozone, la température et la concentration en ozone doivent être élevées. Pour la capacité de la suie à agir comme un noyau de glace par vieillissement à l'acide sulfurique, une basse température joue le rôle décisif.

La formation modifiée des nuages ​​entraîne un réchauffement

Des simulations de suie vieillie par l'ozone montrent que lorsque la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère double par rapport à l'ère préindustrielle, moins de nuages ​​bas se forment. Beaucoup plus de gouttelettes de nuages ​​sont initialement formées par le vieillissement de la suie par l'ozone. Cependant, leur concentration élevée entraîne un refroidissement accru au sommet des nuages, ce qui entraîne un mélange d'air plus sec par le haut. "Ces nuages ​​s'évaporent alors plus vite, surtout dans un climat plus chaud, " explique Lohmann. " Dans un climat plus chaud, l'air mélangé a également une humidité relative inférieure". En raison de l'évaporation plus rapide, il reste moins de nuages ​​bas, et plus de rayonnement à ondes courtes atteint la terre et la réchauffe.

Les particules de suie vieillies par l'acide sulfurique, d'autre part, provoquer la formation de plus de cristaux de glace et rendre les cirrus optiquement plus épais, c'est-à-dire qu'ils sont moins perméables aux rayonnements. Ils s'étendent jusqu'à la tropopause, qui se situe à une altitude de 10 à 18 kilomètres, et aussi s'attarder plus longtemps dans les régions plus élevées de l'atmosphère. Par conséquent, les cirrus absorbent une plus grande partie du rayonnement thermique à ondes longues émis par la Terre et en permettent moins de s'échapper dans l'espace. L'effet de réchauffement des cirrus augmente et aggrave le réchauffement climatique :lorsque la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère double par rapport à l'époque préindustrielle, les deux types de suie vieillissant ensemble entraînent une augmentation de 0,4 à 0,5 °C du réchauffement climatique. Par conséquent, le cycle de l'eau va encore s'accélérer et les précipitations mondiales vont encore augmenter, écrivent les chercheurs.

Études futures, qui comprennent les aérosols des incendies de forêt, moteurs d'avions ou de voitures, et combiner des mesures de terrain et de laboratoire avec des simulations, pourrait donner une image encore plus claire des effets des aérosols de suie. Ils pourraient également aider à développer des stratégies de réduction des émissions. "Cela ne profiterait pas seulement au climat et à la qualité de l'air, mais aussi la santé des gens, " souligne Neubauer.